Construcción Mixta

Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Ch ile

Santiago, ChileMarzo de 2007

Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera

CONTENIDOConstrucción mixta

1. Introducción2. Usos de construcción mixta3. Tipos de construcción mixta4. Estados límite5. Diseño

CONSTRUCCIONMIXTA

1. Introducción

• Utilización del hormigón y el acero en forma conjunta, ya sea en elementos estructurales o en sistemas estructurales, para resistir las solicitaciones que actúan sobre una estructura.

VENTAJAS1. Introducción

• Optimización del material• Mayores luces libres• Mayor resistencia a corrosión• Mayor resistencia a incendios• Rapidez de construcción• Menor costo de construcción

DESVENTAJAS1. Introducción

• Difícil lograr trabajo conjunto acero-hormigón

• Proyecto y construcción más complejos

ACCION COMPUESTADEFINICION

1. Introducción

• Dos materiales que conforman un elemento o dos elementos de diferente material que están conectados y se deforman como una unidad.

Acción no compuesta Acción compuesta

1. Introducción

a. Adherencia

b. Trabazón

ACCION COMPUESTAMECANISMOS

2. Usos de construcción mixta

• Viga de acero con losa colaborante

PUENTES

2. Usos de construcción mixta

• Sistemas estructurales compuestos

EDIFICIOSURBANOS

• Taipei 101, Taiwán

• 2 Union Square Building, Seattle

• Pacific First Center, Seattle

• Gateway Tower, Seattle

• Mellon Bank Center, Philadelphia

• First Bank Place, Minneapolis

2. Usos de construcción mixta

• Losa de hormigón sobre plancha de acero plegada

EDIFICIOSURBANOS

Armadura de refuerzo

Plancha de acero plegada

Hormigón

3. Tipos de construcción mixta

• Elementos estructurales mixtos: compuestos de acero y hormigón trabajando en conjunto

• Sistemas estructurales mixtos: compuestos de elementos de acero, elementos de hormigón y/o elementos mixtos trabajando en conjunto

DEFINICION

ELEMENTOS MIXTOSCLASIFICACION

3. Tipos de construcción mixta

De acuerdo a su configuración:• Viga de acero con losa colaborante

• Losas de hormigón sobre plancha de acero plegada

3. Tipos de construcción mixta

De acuerdo a su configuración:• Perfiles de acero embebidos en hormigón

• Perfiles tubulares de acero rellenos con hormigón

t b

t b

ELEMENTOS MIXTOSCLASIFICACION

3. Tipos de construcción mixta

De acuerdo a su función:• Vigas mixtas

• Columnas mixtas

• Losas mixtas

• Arriostramientos mixtos

t b

t b

ELEMENTOS MIXTOSCLASIFICACION

3. Tipos de construcción mixta

• Marco rígido mixto

Columnas mixtas

Vigas de acero

t b

SISTEMAS MIXTOSEJEMPLOS

3. Tipos de construcción mixta

• Marco arriostrado con diagonales de pandeo restringido

t b

Arriostramiento de pandeo restringido

SISTEMAS MIXTOSEJEMPLOS

3. Tipos de construcción mixta

• Muros de hormigón con vigas de acople mixtas

SISTEMAS MIXTOSEJEMPLOS

Muros

Viga de acople:

Placa de aceroembebida

4. Estados límite

• De resistencia:– Falla por compresión del hormigón

– Plastificación del acero

– Pérdida de acción compuesta

SECCION

4. Estados límite

• Falla por compresión del hormigón

ESTADOS LIMITESECCION

4. Estados límite

• Plastificación del acero

ESTADOS LIMITESECCION

4. Estados límite

• Pérdida de acción compuesta

ESTADOS LIMITESECCION

4. Estados límite

• De resistencia:– Estados límite de sección– Inestabilidad global (pandeo, pandeo lateral-

torsional)

• De servicio:– Fisuración excesiva– Deformación excesiva– Vibración excesiva

ESTADOS LIMITEELEMENTO

4. Estados límite

• De resistencia:– Inestabilidad global

• Pandeo

ESTADOS LIMITEELEMENTO

t b

P

P

L

P

x x

y

y

4. Estados límite

• De resistencia:– Inestabilidad global

• Volcamiento

ESTADOS LIMITEELEMENTO

Alma esbeltaAlma no esbelta

4. Estados límite

• De servicio:– Fisuración excesiva (vigas)

• Fisuración es inevitable• Efecto sobre durabilidad y apariencia• Importa fisuración debido a cargas sostenidas• Lograr fisuración distribuida a través de:

– Armadura mínima– Límites en diámetros y espaciamiento de barras

ESTADOS LIMITEELEMENTO

M M

4. Estados límite

• De servicio:– Deformación excesiva

Limitada por:• Condiciones de uso

• Daño a elementos no estructurales

• Aceptabilidad (estancamiento de agua, estética)

• Otros

ESTADOS LIMITEELEMENTO

4. Estados límite

• De servicio:– Deformación excesiva

Difícil determinar debido a:• Rigidez variable (fisuración, armaduras)• Módulo de Young cambia con el tiempo y condiciones de

curado• Método de construcción• Fluencia lenta (creep) y retracción• Desfase de cortante• Deslizamiento en interfaz acero-hormigón

ESTADOS LIMITEELEMENTO

4. Estados límite

• De servicio:– Vibración excesiva

Limitada por:• Incomodidad de usuarios• Daño a elementos no estructurales• Condiciones de operación de equipos• Otros

Parámetro principal:

ESTADOS LIMITEELEMENTO

δ18=rf

4. Estados límite

• Propiedades– Módulo de elasticidad

• Acero

• Hormigón

ASPECTOSRELEVANTES

MPaEs 000.200=

( )cc fwfE ',sec =

4. Estados límite

• Propiedades– Momento de inercia

• Sección no fisurada

• Sección fisurada

ASPECTOSRELEVANTES

c

s

E

En =

4. Estados límite

• Propiedades– Ancho efectivo

ASPECTOSRELEVANTES

4. Estados límite

• Deformaciones de largo plazo– Fluencia lenta (creep)

ASPECTOSRELEVANTES

4. Estados límite

• Deformaciones de largo plazo– Retracción

ASPECTOSRELEVANTES

4. Estados límite

• Método de construcción

ASPECTOSRELEVANTES

Apuntalado

Sin apuntalar

Sección de acero

REFERENCIASPRINCIPALES

5. Diseño

• Especificaciones AISC (2005)

– Capítulo I. Diseño de miembros compuestos

• Especificaciones ACI (2005)

5. Diseño

• Resistencia nominal– Método de la distribución

de tensiones plásticas

– Método de la compatibilidad de deformaciones

METODOS

5. Diseño

• Del material:– Hormigón convencional:

– Hormigón liviano:

– Acero

LIMITACIONES

MPafMPa c 7021 ' ≤≤

MPafMPa c 4221 ' ≤≤

MPaFy 525≤

ORGANIZACION5. Diseño

• Esfuerzo axial

• Flexión

• Flexión y esfuerzo axial

• Corte

• Conectores de corte

5. Diseño

• Perfiles embebidos en hormigón1. As ≥ 0.01 Ag

2. Asr ≥ 0.004 Ag,mínimo 4 barras

3. Ast ≥ 0.23 mm2/mms ≤ min(16dst, 48dsr, 0.5b, 0.5d)

ESFUERZO AXIALREQUISITOS

As

Asr

Ag

Ast

b

d

5. Diseño

• Perfiles tubulares rellenos con hormigón1. As ≥ 0.01 Ag

2. b/t y d/t ≤

3. D/t ≤ 0.15 Es / Fy

ESFUERZO AXIALREQUISITOS

Asb

t d

D

t

ys FE26.2

Asr

5. Diseño

El diseño de miembros compuestos bajo esfuerzo axial consiste en comparar la

resistencia con la acción de diseñoó

• Tracciónφt = 0.90 (LRFD) Ωt = 1.67 (ASD)

ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL

yrsrysn FAFAP +=

( )LRFDPP nu ⋅≤φ ( )ASDPP n Ω≤

5. Diseño

• Compresiónφc = 0.75 (LRFD) Ωc = 2.00 (ASD)

– Pandeo Elástico

– Pandeo Inelástico

ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL

00

0

658,0:44.0 PPPP eP

P

ne

=≥

ene PPPP 877.0:44.0 0 =<

5. Diseño

• Compresión– Perfiles embebidos en hormigón

• Capacidad sección

• Capacidad pandeo Euler

donde

ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL

( ) ( )22 KLEIP effe π=

ccyrsrys fAFAFAP '85.00 ++=

ccsrssseff IECIEIEEI 15.0 ++=

3.021.01 ≤

++=

cs

s

AA

AC

5. Diseño

• Compresión– Perfiles tubulares rellenos con hormigón

• Capacidad sección

• Capacidad pandeo Euler

donde

ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL

( ) ( )22 KLEIP effe π=

ccyrsrys fACFAFAP '20 ++=

ccsrssseff IECIEIEEI 3++=

9.026.03 ≤

++=

cs

s

AA

AC

=circular

rrectangulaC

90.0

85.02

5. Diseño

• Vigas con losa colaborante1. hr ≤ 75 mm

2. wr ≥ 50 mm

3. hc ≥ 50 mm

FLEXIONREQUISITOS

Ac

hr

wr

hc

Pliegues paralelos Pliegues perpendiculares

5. Diseño

• Vigas con losa colaborante1. beff ≤ L / 8

2. beff ≤ S / 2

3. beff ≤ Lg

FLEXIONANCHO COLABORANTE

L

S

Lgbeff2beff1

5. Diseño

El diseño de miembros compuestos sometidos a flexión consiste en

comparar la resistencia con la acción de diseño

ó

φb = 0.90 (LRFD) Ωb = 1.67 (ASD)

FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL

( )LRFDMM nbu ⋅≤φ ( )ASDMM bn Ω≤

5. Diseño

• Viga con losa colaborante– Momento positivo

• Alma no esbelta

Mn = Mp

• Alma esbelta

Mn = My

FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL

ysw FEth 76.3≤

ysw FEth 76.3>

Considera método constructivo

5. Diseño

• Viga con losa colaborante– Momento negativo

a. Mn = Mn perfil doble T

b. Mn = Mp compuestai. Perfil compactoii. L b ≤ Lp

iii.Conectores de corteiv. Refuerzo apropiadamente

desarrollado

FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL

5. Diseño

• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón

a. Mn = My

b. Mn = Mpperfil

FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL

5. Diseño

• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón

c. φb = 0.85, Ωb = 1.76a. Compatibilidad de

deformaciones

FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL

b. Distribución de tensiones plásticas

5. Diseño

Se debe verificar por separado• Flexión

φb = 0.90 (LRFD) Ωb = 1.67 (ASD)ó

• Compresiónφc = 0.75 (LRFD) Ωc = 2.00 (ASD)

ó

( )LRFDMM nbu ⋅≤φ ( )ASDMM bn Ω≤

FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL

( )LRFDPP ncu ⋅≤φ ( )ASDPP cn Ω≤

5. Diseño

• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón– Compatibilidad de deformaciones

FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL - Mn

5. Diseño

• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón– Distribución de tensiones plásticas

FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL - Mn

5. Diseño

• Pandeo Elástico

• Pandeo Inelástico

donde P0 sale de compatibilidad de deformaciones o distribución de tensiones plásticas

00

0

658,0:44.0 PPPP eP

P

ne

=≥

ene PPPP 877.0:44.0 0 =<

FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL - Pn

5. Diseño

• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón

a. Resistencia del perfil + armadura

b. Resistencia del hormigón (ver ACI)

• Vigas con losa colaboranteResistencia del perfil

CORTERESISTENCIA NOMINAL

s

dFAtdFV c

yrstwyn +⋅⋅= 6.0

s

dc

wyn tdFV ⋅⋅= 6.0

5. Diseño

• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón cargados axialmente– Carga V aplicada al perfil de acero

– Carga V aplicada al hormigón

CONECTORES DE CORTEDEMANDA

( )01' PFAVV ys−=

( )0' PFAVV ys=

5. Diseño

• Vigas con losa colaborante– Momento positivo

• Falla por compresión del hormigón

• Plastificación del perfil

• Falla de conectores de corte

CONECTORES DE CORTEDEMANDA

cc AfV '85.0'=

ys FAV ='

∑= nQV '

5. Diseño

• Vigas con losa colaborante– Momento negativo

• Falla por fluencia de armadura

• Falla de conectores de corte

CONECTORES DE CORTEDEMANDA

cc AfV '85.0'=

∑= nQV '

5. Diseño

• De un conector

donde

CONECTORES DE CORTERESISTENCIA NOMINAL

uscpgccscn FARREfAQ ≤= '5.0

MPafwE ccc '043.0 5.1=

dstud

4

2stud

sc

dA

π=

5. Diseño

• Rg y Rp

– Perfiles embebidos o rellenos con hormigón: No son aplicables. Usar Rg y Rp = 1.0

– Vigas con losa colaborante

CONECTORES DE CORTERESISTENCIA NOMINAL

5.1≥r

r

h

w

0.1

0.1

=

=

p

g

R

R

75.0

0.1

=

=

p

g

R

R

75.0

0.1

=

=

p

g

R

R

mme htmid 50≥− 2fbl ≥

5. Diseño

• No hay recomendaciones• Comentario, sección I3.1:

– Limitar comportamiento del elemento al rango elástico para condiciones de servicio.

– Expresiones para el cálculo del momento de inercia.

DEFORMACIONES